院士领衔，硅基量子计算重大突破！我国科研团队首次实现硅基逻辑量子计算机原型验证

近日，在俞大鹏院士的带领下，深圳国际量子研究院贺煜研究员课题组在硅基量子计算领域取得里程碑式突破。研究团队在国际上首次于原子级精度加工的硅基量子计算芯片上，演示了从通用逻辑门操作到变分量子算法的“全栈”逻辑运算要素，完成了硅基逻辑量子计算机的原型验证，为该体系从物理量子比特到容错逻辑编码的关键跨越。该成果为研制实用化硅基量子计算机迈出坚实一步。相关研究于2026年3月23日以“Universal logical operations in a silicon quantum processor”为题在国际高水平期刊NatureNanotechnology上在线发表。

量子计算潜力巨大，但环境噪声引发的计算错误是其走向实用的核心障碍。容错量子计算是根本解决方案，其核心是将信息编码到“逻辑量子比特”中进行冗余和纠错，类似于为信息穿上“防护衣”。硅基自旋量子比特因具有长相干时间、高操控精度以及与现有半导体芯片工艺兼容的天然优势，被视为构建大规模量子处理器最具前景的平台之一。尽管该平台近年来进步显著，但实现容错逻辑编码与通用逻辑操作，始终是尚未攻克的核心难题。

核心突破：从“物理比特”到“逻辑编码”的飞跃

研究团队利用扫描隧道显微镜氢掩膜光刻（STM-HL）技术，以原子级精度加工了硅基量子处理器。团队设计的磷原子团簇量子计算架构，可以实现物理比特的良好寻址和全联通的高效多比特门，同时开发了抑制串扰的方案，为高保真操控提供了基本保障。团队采用高效的[[4,2,2]]量子错误探测码，在四个物理核自旋上编码了两个逻辑量子比特。[[4,2,2]]码是构建容错逻辑量子比特的最小单元之一，可作为未来大规模级联纠错架构的关键基础模块。

图1 容错制备的逻辑态

研究团队验证了在逻辑量子计算方面一系列紧密关联的核心要素。

首先，团队演示了逻辑量子态的容错制备，其中包括逻辑纠缠态，并通过后处理校验显著提升了其保真度。进一步的，成功演示了完整的通用逻辑量子门集。团队不仅实现了所有必要的单、双比特克利福德逻辑门，更关键的是，通过一种与未来容错架构兼容的“测量诱导的量子门”方法，成功实现了逻辑T门。该门是构建通用量子计算机不可或缺、且难以实现的关键组件，与克利福德门组合后即可执行通用量子计算任务。这标志着在硅基平台上，构建通用容错量子处理器所需的全部核心逻辑部件均已就绪。

图2 逻辑量子门操作验证

为展示该量子处理器的实用潜力，团队在国际上首次于硅基逻辑量子比特上完成了量子算法演示并求解实际问题。团队在两个逻辑量子比特上成功运行了“变分量子本征求解”算法，精确计算了水分子（H₂O）的电子基态能量，计算结果与理论值误差仅为20 mHa，未来有望进一步达到化学精度要求。这充分证明了该逻辑编码方案运行实用量子算法的可行性。

此外，团队首次于硅基系统中制备了容错计算所必需的“逻辑魔术态”，且其保真度超过了“魔术态蒸馏”的理论阈值，为未来实现容错计算奠定了资源基础。实验还进一步验证了硅基量子系统中的错误偏好——“强偏置噪声”（即相位翻转错误远多于比特翻转错误）。这一特性有助于未来设计更高效、更节省资源的专用纠错方案。

图3 逻辑量子计算，用变分量子算法求解水分子基态能量

总结与展望

本工作在国际上首次实现了硅基量子处理器中，从逻辑态制备、通用逻辑门操作到量子算法演示的“全栈”逻辑运算，是通向可扩展、容错量子计算的关键里程碑。展望未来，通过抑制信号串扰、扩展系统规模（如构建原子团簇的阵列），并充分利用该体系的噪声偏置等独特物理特性，有望设计出更高效的容错方案，从而加速推动这一与现有半导体产业兼容的量子计算领域走向实际应用。

本项研究中，深圳国际量子研究院的张春辉（国量院/南科大博士研究生）、徐峰（国量院/南科大博士研究生）、张世航（国量院/南科大博士研究生）、段明超（国量院研究员）为论文共同第一作者。俞大鹏院士、贺煜研究员、黄培豪副研究员、潘天洛副研究员等为论文共同通讯作者。北京大学袁骁研究员团队在量子变分算法方面提供了合作支持。该研究工作得到了国家自然科学基金委、合肥国家实验室、深圳市科技创新局、广东省科技厅等单位的资助与支持。

https://www.nature.com/articles/s41565-026-02140-1